книги из ГПНТБ / Кузьмин, А. А. Маломощные усилители с распределенным усилением

где

Матрицы других структур в CK X могут быть полу­ чены из матрицы Т^у после двух последовательных опе­

раций: для 7 ^ в ёдц (3.57) необходимо изменить знак

одновременно перед тц и т)2, а затем знаки у элементов блоков Tfb[ и ; для 7’^ необходимо изменить знак

только перед -гр (в и Й312), а затем изменить знаки с плюса на минус у элементов с индексами 13,23,31,32, 34, 43; для ^меняется знак у т)2 (в £521 и ® 22) и у эле­

ментов с индексами 14,24,41,42,34,43. При этом необ­ ходимо иметь в виду, что при переходе от одной струк­ туры к другой соответствующим образом изменяются параметры УЭ (3.5).

Глава 4

П А Р А М Е Т Р Ы Ф И Л Ь Т Р О В И И Х И С П О Л Ь З О В А Н И Е

Д Л Я Р А С Ч Е Т А Х А Р А К Т Е Р И С Т И К К А С К А Д А У Р У Н А Э Ц В М

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЛЬТРАХ ПЕРЕДАЮЩИХ ЛИНИЙ УСИЛИТЕЛЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ

Основное требование, предъявляемое к передающим линиям УРУ, заключается в простоте конструкции ис­ пользуемых фильтров. При этом должны обспечиваться: естественное включение междуэлектродных реактив­ ностей усилительных элементов в состав фильтров, иден­ тичность частотных зависимостей постоянных распрост­

достаточно хорошего согласования фильтров с нагрузоч­ ными сопротивлениями в диапазоне частот.

В УРУ наибольшее распространение получили следу­ ющие типы фильтров: фильтры нижних частот типа k или т (ФНЧ типа k или т), полосовой трехэлементный

фильтр (ПТФ), дискретно-распределенный фильтр (ДРФ), представляющий в частном случае отрезок длин­ ной линии, зашунтированный конденсатором, и полосо­ вой фильтр типа k (ПФ типа k).

Схемы реактивных Г-образных полузвеньев пере­ численных фильтров показаны на рис. 4.1. Звенья Т или П-образных фильтров являются комбинациями Г-образ­ ных полузвеньев.

Применение тех или иных фильтров в основном зави­ сит от диапазона частот. ФНЧ типа k работоспособны

Рис. 4.1. Г-образные полузвенья фильтров, используемых в усилите­ лях с распределенным усилением.

практически до частот 700—800 МГц, наиболее просты в исполнении и настройке. Этот тип фильтра является основным при построении УРУ. Последовательно-произ­ водные ФНЧ типа т (т < 1) обычно используются в ка­

честве согласующих полузвеньев и применяются в том же диапазоне частот при построении усилителей на элек­ тронных лампах. В транзисторных УРУ применение со­ гласующих ФНЧ типа т в ряде случаев нецелесообразно

ввиду того, что частотно-зависимые входные и выход­ ные емкости транзисторов способствуют выравниванию в диапазоне частот характеристического сопротивления с Т-образной стороны ФНЧ типа k.

ФНЧ типа т (т > 1), реализуемый на ФНЧ типа k

при наличии магнитной связи между катушками индук­ тивности в последовательных ветвях Т-образного фильт­ ра, нашел применение только в диапазоне метровых волн. Такой фильтр по сравнению с ФНЧ типа k позволяет

получить более линейную фазочастотную характеристику УРУ или компенсировать индуктивности вводов УЭ [9]. Однако сложность получения достаточно большой взаимоиндуктивности препятствует применению этого фильт­ ра на более высоких частотах.

Полосовой трехэлементный фильтр успешно применя­ ется в УРУ с коэффициентом перекрытия частотного диапазона kn<4. При этом можно получить большее волновое сопротивление, чем в ФНЧ типа k, при одних

и тех же межэлектродных емкостях, что влечет за собой увеличение коэффициента усиления. Недостатком ПТФ является наличие дополнительной катушки индуктивно­ сти, что особенно неудобно в многосекционном УРУ. При полосе пропускания порядка 1 ГГц катушка индуктивно­ сти последовательной ветви ФНЧ типа k приобретает

свойства элемента с распределенными параметрами и в принципе может быть заменена отрезком длинной ли­ нии. Таким образом, дискретно-распределенный фильтр является вырожденным фильтром нижних фастот типа k. Полосовой фильтр типа k ввиду своей сложности при­

менялся только в метровом диапазоне волн [13]. Усили­ тели с распределенным усилением на ПФ типа k с /в>

>300 МГц весьма сложны в настройке.

Далее мы будем рассматривать наиболее употреби­ тельные фильтры: ФНЧ типа k и т (т < 1), полосовой

трехэлементный фильтр и дискретно-распределенный фильтр. Комплексные входные и выходные сопротивле­

52

включении входа или выхода УЭ в передающую линию

нии в Z a также входит комплексное вносимое сопротив­

ление усилительного элемента.

Особенностью фильтров УРУ является наличие по­ терь, обусловленных активными составляющими вноси­ мых сопротивлений или проводимостей. Хотя в каждом фильтре потери малы, однако в многосекдионном каска­ де УРУ потери оказывают существенное влияние, огра­ ничивая его коэффициент усиления и полосу пропуска­ ния.

4.2. ФИЛЬТР КАК ЛИНЕЙНЫЙ ОБРАТИМЫЙ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК

В связи со сложностью схем УРУ они должны анали­ зироваться как с помощью приближенных соотношений, так и с помощью точных расчетов на ЭЦВМ. Прибли­ женный анализ позволяет дать методику инженерного расчета УРУ. Применение ЭЦВМ дает возможность сравнить результаты более точных и приближенных рас­ четов. Кроме того, алгоритм матричных преобразований, изложенный в гл. 2, в дальнейшем станет основой ма­ шинного оптимального структурного синтеза УРУ. Поэ­ тому нам требуются не только выражения для характе­ ристических параметров фильтров, приводимые в лите­ ратуре, как правило, для случая без потерь, но также и матрицы фильтров с учетом всех необходимых элемен­ тов, которые могут быть заложены в программу расчетов на ЭЦВМ.

53

Воспользуемся теорией четырехполюсников и фильтров [29, 35]. Полузвено фильтра представляет собой обратимый несимметричный четырехполюсник (рис. 4.3,а), описываемый системой уравнений:

где через ац обозначены Л-параметры полузвена. Определитель ма­ трицы [а] обратимого четырехполюсника равен единице. Матрица

соответственно с Т- и П-образных сторон. При параллельном вклю­ чении УЭ внутреннее характеристическое сопротивление звена =

54

а Наружное аун=аУт. При последовательном включении УЭ —-

наоборот: внутренним характеристическим сопротивлением является w т, а наружным— w n .

Полузвеио дискретно-распределенного фильтра (рис. 4.4) пред­ ставляет собой каскадное соединение симметричного реактивного четырехполюсника с распределенными параметрами (ЧРП) и сосре­

доточенной комплексной проводимости Уь/2. ЧРП состоит из распре­ деленных по длине индуктивностей и емкостей (рис. 4.5) и характе-

Рис. 4.4. Схема полузвена дискретно-распределенного фильтра.

Рис. 4.5. Четырехполюсник с распределенными параметрами.

ризуется волновым сопротивлением рк и фазовой постоянной g/2.

Матрицы ЧРП и всего полузвена имеют вид

Lp, Cp — распределенные по длине в ЧРП погонные индуктивно­ сти и емкости;

Из матрицы (4.4) по формулам (4.1) определяются характеристиче­ ские параметры полузвена

55

4.3.ФИЛЬТРЫ НИЖНИХ ЧАСТОТ

Схема полузвена фильтра нижних частот типа k при

наличии в последовательной и параллельной ветвях ак­ тивных сопротивлений Ra и Яь показана на рис. 4.6.

ОЛа 0Ма

среза фильтра без потерь; w0— низкочастотное волновое

сопротивление фильтра без потерь; ра,ь—-коэффициент потерь.

Подставляя (4.7) в (4.2), получим

sh = ] / — х 2-J- р0рь-ф-jx (р0 4- Рь), ch у = 1 — 2х24~ 2р0рь -f- / 2х (ра -)- Рь), c h j = y i — X2-)- РаРь -f- jx (ра-ф- Рь),

а»т. п = w°V (Iх + \ь)Щх + Рь) [1 — э? +

а — собственное затухание, можно получить приближен­

ные формулы

56

Согласование в наиболее широкой полосе частот име­ ет место при т = 0,5—0,6. Зависимости характеристиче­ ских параметров реактивного ФНЧ типа т от относи­

тельной частоты представлены на рис. 4.9. Расчет эле-

ФНЧ типа т от относительной частоты при различных значениях т.

Рис. 4.10. Схема полузвена полосового трехэлемеитного фильтра с потерями.

ментов фильтра по заданным wQ, соср и т производится

по формулам

4.4.ПОЛОСОВОЙ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫЙ ФИЛЬТР

Схема полузвена полосового трехэлементного фильт­ ра с учетом сопротивлений потерь показана на рис. 4.10. Введем обозначения, аналогичные обозначениям в (4.7):

ЩУ La/Cbt

где х — относительная частота; соо и wо — соответственно

частота среза и низкочастотное волновое сопротивление ФНЧ k без потерь, получаемого из ПТФ при отсутствии

58

потерь, равная резонансной частоте параллельной ветви

му программа расчета на ЭЦВМ характеристик УРУ, построенных на ФНЧ k или ПТФ, может строиться на

базе соотношений (4.16), (4.17).

Полагая малое влияние потерь на характеристиче­ ские сопротивления и фазовую постоянную, находим при­ ближенные соотношения аналогично тому, как это сде­ лано для ФНЧ k,

Верхнюю и нижнюю частоты среза можно опреде­ лить из равенства соответственно р'(соСрв) = я, Р(соСрн) = = 0, откуда следуют выражения для относительных ча­ стот среза

Х ср в — юср з ! ю о = У 1 4 9 ц > л н = щсрн/що = <7и- ( 4 - ^ )

59